美国试图抢占6G技术布局先机

今年8月，美国总统特朗普批准在美国开展6G试验，他本人也发推表达了自己对6G的期许。此前一年多，美国联邦通信委员会已经决定开放95GHz-3THz（太赫兹）频段作为试验频谱，正式启动6G技术研发。这表明，在5G移动通讯技术尚未大规模普及之时，6G领域的你争我赶已悄然开始。

以卫星为基础组建互联网的6G系统概念图。基于空间复用的新一代移动通信技术

6G被称为第六代移动通信技术，是5G的延伸。相关资料显示，与5G相比，6G具有以下新特点：一是颠覆性通信技术。5G网络已经在非常高的频率（毫米波频带）上运行，6G网络将采用更高的频谱，太赫兹波通信将得到应用。二是创新的网络架构。虽然5G网络已经努力达到了十分有效的网络设置，但未来网络应用还是提出了更高的紧密协调的新架构要求。因此在不同的通信技术中，需要考虑网络设备的分解和虚拟化以及接入网和骨干网的集成。三是在网络中整合智能。将来6G网络中各个网元——无论是集中计算单元还是边缘的每个终端——都能集成智能计算能力。通过共享用户间或者运营商之间的信息，无监督的机器学习将通过预测促进实时网络决策。

太赫兹技术和空间复用技术是6G的关键。太赫兹频段是指100GHz-10THz，是一个频率比5G高出许多的频段。根据通信原理，频率越高，传输波长就会越短，带宽范围就越大，那么在一定时间内通信系统的数据传输量就会越大。随着用户数和智能设备数量的增加，有限的频谱带宽就需要服务更多的终端，这会导致每个终端的服务质量严重下降。而解决这一问题的可行方法便是开发新的通信频段，拓展通信带宽。从通信1G（0.9GHz）到4G（1.8GHZ以上），使用的无线电磁波的频率不断升高就是这个道理。6G移动通信技术为了能够实现超高速通信的目标，将使用太赫兹（THz）频段。与5G相比，太赫兹波将使网速提升100多倍。

问题在于，虽然太赫兹频段资源丰富，系统容量大，但是使用高频率载波的移动通信系统要面临改善覆盖能力和减少干扰的严峻挑战。当信号的频率超过10GHz时，其主要的传播方式就不再是衍射。对于非视距传播链路来说，反射和散射才是主要的信号传播方式。而且频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近，绕射能力越弱，这些因素都会大大增加信号覆盖的难度。

为了解决这个问题，6G移动通信将使用空间复用技术。空间复用技术又称MIMO，意思是为极大地提高信道容量，在发送端和接收端都使用多根天线，在收发之间构成多个信道的天线系统。MIMO系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率，在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益，在不占用额外带宽和消耗额外功率的情况下增加信道容量，其代价是增加了发送端与接收端的复杂处理度。据悉，6G移动通信基站可以同时接入上千个无线外部连接，其容量将达到5G的1000倍。另外MIMO技术构造的多天线阵列会使大部分发出的能量聚集在极窄的空间范围内，即天线数量越多，发射波束的宽度越窄，各个用户终端和不同的波形之间干扰越小，最后利用波束赋形技术（既通过复杂的算法对波束进行管理和控制）便可以对信号进行焦点式覆盖。

竞争已经开始

未来，6G技术将带来很多改变。在高山、海洋等偏远地区，传统无线接入网络难以提供有效覆盖，而利用船载基站、无人机平台、低空平台、高空平台、卫星等可以进行协同补充覆盖和提供补充数据服务，6G能够解决陆地蜂窝无线网络造成的数据鸿沟难题。具体而言，在遭遇自然灾害或战争，原有通信基础设施遭到毁坏，而应急通信车等又无法发挥作用时，6G技术可以通过无人机、地面关口站和地面基站等基础设施构建应急通信能力。其中，通过无人机搭载虚拟基站、自配置多跳通信协议，可以实现多无人机间协同通信，除具有无线接入功能外，无人机还可挂载传感设备和摄像头，及时获取现场数据。在海洋通信中，传统海洋通信手段主要分为基于蜂窝网络的岸基通信、基于海洋卫星系统的通信和基于中高频的上通信，三者融合程度低，互通性差，且大多仅关注通信资源，未充分挖掘计算和处理资源带来的性能增益。而6G可基于岸基、水域和空域的一体化协同组网，通过通信、计算资源的灵活按需编排，有效支撑各类海洋业务。

同时，6G将提供1T的极值传输速率，用户平均体验速率将达10G，再结合增强/虚拟现实以及全息超高清视频等技术，可以将身处不同地方的人的3D全息影像传送到同一位置，使用户如面对面坐在一起一样交流沟通。在6G网络中，精准医疗将在人类的重大疾病风险预测、早期筛查、靶向治疗等方面发挥重要作用，实现医疗健康服务由“以治疗为主”向“以预防为主”的转化。而6G时代的教育不仅能够实现多人远距离实时交互授课，还可以实现一对一智能化因材施教。

6G对于构建智能社会也意义重大。未来工业设备控制、异常监控告警、机器臂操控等智能无人设备的运行都需要极低时延和超高可靠无线通信能力。以无人车为例，未来的无人驾驶车辆都将配备许多传感器，包括相机、激光扫描仪等，相关算法必须快速融合来自多个来源的数据，判断周边人员、动物或建筑物的信息，以快速控制车辆、避免碰撞或人员受伤，因此用6G技术搭建的超高可靠、极低时延无线网络就显得必不可少。

基于6G的巨大潜力，相关国家在5G初露头角之时，就已开始对6G提前布局。2019年3月19日，美国联邦通信委员会(FCC)决定开放面向未来6G网络服务的“太赫兹”频谱，用于创新者开展6G技术试验。同年11月3日，中国宣布成立国家6G技术研发推进工作组和总体专家组，标志着中国6G技术研发工作正式启动。在2020年1月，日本组织了一大批的相关人员召开6G研究会，对6G的成本预算、性能目标进行了严密的确认。4月日本对外公布了6G战略计划，根据规划日本将在2030年启用6G技术。而韩国三星电子在今年7月也发布了《下一代超链接体验》6G白皮书，内容涵盖了三星技术研发、社会趋势分析、新服务、候选技术及预期的标准化时间表。白皮书系统阐述了三星6G时代的愿景，即“将‘下一代超链接体验’带入生活的每一个角落”。

美国对于6G寄予厚望，希望能以此摆脱在5G领域落后于中国的局面。美方认为，5G所需要的那种地表大规模基建能力不是美国的强项，而6G的特点是以卫星为基础组建互联网，基建工作大多在太空完成，主要是卫星发射和部署工作，这与美国航天强国的地位吻合。另外，SpaceX公司的“星链”计划也为美国直接过渡到6G提供了额外的信心。根据美国联邦通讯委员会（FCC）在今年4月26日批准的方案，“星链”计划将在高度为550公里和340公里的轨道面上分别部署4409颗和7518颗卫星，总数高达11927颗。马斯克表示，SpaceX计划加快部署“星链”，其生产和发射速度将从每年1000颗卫星提高到2000颗卫星。如果SpaceX能够坚持这一计划，那么两年内“星链”卫星数量将超过其他在轨卫星之和。

（作者为远望智库特约研究员、察哈尔学会研究员、中国指挥与控制学会会员）

本文刊登在《世界知识》2020年第18期